电力电子系统集成研究进展与现状

李希润

摘 要：科技的不断发展为电力电子系统集成技术提出了更高的要求，为了改变当前行业现状，提高工业自动化水平和企业生产效益，电力电子集成技术得到快速发展。本文从了解电力电子集成系统出发，在了解电力电子系统集成的发展过程以及研究意义和目的的基础上，简要探究了电力电子集成技术中电力电子技术，分布式技术、通信技术以及封装技术这四个关键技术，并对集成芯片标准化，变流器连接选择标准化，中功率变流器连接分析以及变流器对抗特点等技术特点进行分析，最后得出结论。

关键词：电力电子系统;通信技术;分布式技术;变流器

中图分类号：TM1-4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）02-0170-02

0 引言

近年来，电力电子系统已经得到了迅猛的发展，电力电子系统集成也得到了广泛研究。电力电子集成系统是在集成技术进步的基础上发展起来的。早年间，美国海军研究机构最先提出了电力电子标准模块的概念，为集成系统的发展奠定了基础，初期，集成技术的发展主要是集中在军事领域的应用，随后因其便利性，系统可移植性以及综合成本低的特性广泛展开应用。近年来我国科学技术也得到了快速的发展，为电力电子系统集成技术的发展提供了良好的科学技术环境。

综合来看，电力电子集成系统更加符合现代化技术的发展需求，能够满足生产的需要。电力电子系统的集成能够让人们利用标准的智能模块方便实现各种功能的需求，简化电力系统控制流程，减少复杂系统研制成本和时间成本。利用电力电子系统集成技术，复杂电力电子系统的实现可以像组装一台计算机一样，灵活的进行这些升级和系统配置。目前，电力电子系统集成主要包括模块级集成，系统级集成两个层面，本文基于电力电子系统集成技术的研究现状，对其中的关键技术及重要标准进行简要探究和分析。

1 电力电子系统集成发展历程

电力电子技术起源于20世纪90年代，1956年第一个晶闸管的成功研制标志着该技术学科的正式诞生，此后电力电子技术便不断发展。到21世纪初，电力电子技术和电力、控制等学科相结合成为一门边缘学科，并且应用越来越广，应用该技术的产品涉及到了生产生活中的各个方面，例如工业上的电机调速、汽车和计算机，生活中的空调、微波炉和电视电话，以及工作中的打印机、复印机等设备都离不开电力电子技术。电机调速作为电力电子技术应用的一个典型代表，在世界范围内工作的电机超过100亿，主要应用在汽车、船舶、轧钢、机床、造纸、纺织和电力机车等行业中。电机诞生于19世纪初，并在70年代就正式应用在工业当中，具有很长的发展历史。随着新技术新材料的不断研发，使得电机的功率密度、稳定性以及效率得到了大幅度的提升，但是在电力电子技术出现之前，性能的提升效果并不是很明显，电力电子技术的发展促使变频技术的产生，在电机上设置变频调速用来驱动电源，这种方式得到越来越多的应用，使得电机性能得到又一次历史性的提高，促进了很多行业的再次发展[1]。

电力电子技术的进步给人们提供了更多的启示，与此同时，计算机技术也从最开始庞大缓慢的晕算机器开始朝着微型化和高速运算的方向发展，为电力电子系统集成提供了条件。半导体硅集成电路是电力电子系统集成的最初模型，自问世之初就受到了人们的追捧，促进了学术研究的开展和工业技术的进步。发展至今，在这四十多年的时间里，半导体硅集成电路依旧在工业生产中起着十分重要的作用。电力电子系统集成技术依赖于计算机技术，而集成电路和集成系统又反作用于计算机技术，提高了计算机系统标准化水平，扩展了其适用范围，降低生产制造成本。然而，电力电子系统集成技术相比与计算机系统之间的集成还存在有较大的差距。

电力电子系统集成的目标与计算机系统类似，主要就是将功率器件和电路器件等产品以模块的形式进行封装和处理，配合以控制器和传感器等不见，使其在使用和运行中都能保证便捷可靠。复杂的电力电子系统朝着集成化的方向发展，设计成本和时间大幅度降低。因此可以看出，电力电子系统集成与现代化工业发展的要求相吻合，可以改变当前电力电子行业的现状。

2 电力电子系统集成技术探究

在研究电力电子系统集成的过程中，电力电子技术、分布式技术、通信技术以及封装技术都是关键技术，相辅相成。其中，电力电子技术决定了集成系统的拓扑选择，分布式技术决定了系统的结构，通信技术和封装技术则是决定了电力电子系统的性能[2]。

2.1 电力电子技术

在集成电力电子系统的研究过程中，系统各部件模块的标准化具有非常重要的意义，因此要对系统中数量众多的电力电子线路中选择出数量不多但是具有典型特征的电力电子功率变换的连接，完成这项工作需要克服巨大的困难。在数量众多的变换电路中，多数的连接都不具有典型代表性，只有在特定的环境中才具有优势，或者只是为了避免专利侵权，但是利用系统化研究的方式可以将多数特异性的连接筛选出去，最终确定出为数不多的电力电子电路作为标准模块。

2.2 分布式技术

电力电子系统的集成研究还不成熟，在系统中使用分布式控制的研究不多，但是在建设电力电子系统时要实现模块的标准化或者用标准化模块搭建分布式电源系统，都需要分布式技术的支持，这是因为分布式技术具有很多优势：能够实现资源共享、网络系统中的信息交流，提高系统运行的可靠性，还可以使用并行化的方式提高性能，借助规范化标准简化设计过程。因此，在電力电子系统集成的过程中通过分布式技术和模块标准化，可以更好地完善系统。

2.3 通信技术

在电力电子系统集成过程中，通信技术发挥着至关重要的作用，是系统建设的关键技术。电力电子系统集成最终要实现系统标准模块化，使得系统由开始统一的整体分为多个模块有机地组合在一起，系统内部之间的信息交流可以通过各个模块的通信接口来完成。在电力电子系统中，信号的形式多种多样，并且不同信号传输的介质也不一样，这使得系统集成过程中通信技术的使用存在较大的难度。系统中信息的交流是相互的，各个模块的通信部分既要接收数据，也要发送数据，对于分布式电源系统中的各个功率变换器也是如此，每个标准模块除了有功率接口还要有通信接口。在电力电子系统集成的研究中，通信技术部分包括通信接口和通信体系两部分的工作内容。

2.4 封装技术

封装技术在电力电子集成系统中起到十分重要的作用。通常情况下，电力电子集成系统中包括大电流注入器件、电压控制元件、以及各种传感器元件和芯片，多种元件和系统的集成对系统的导热性以及联结控制特性提出了较高的要求，即要求较高的封装和排线技术。以普通电力电子系统为例，分立器件、驱动机构、传感器系统以及保护电路所处的位置都不同。其中分立器件是一个单独的机构，多分布于散热器上，而其他部件可作为一个统一的整体，被封装在整个模块中，然后固定在PCB板上。在具体的电力电子系统集成模块中，模块的制作、封装标准以及器件和电路的排列都有十分复杂，还需根据所需系统的特点和具体情况进行分析。

3 电力电子系统集成内容

3.1 集成芯片的标准化

电力电子模板设计的发展离不开电力电子集成技术的突破，和其他的模板设计相比，该设计具有较高的技术要求，工作难度也较大，但是使用该设计制成的模板成品具有较高的技术性，系统和各个接口拥有统一的标准，在和其他设备相连接时能够保证电力电子系统整体运行的可靠性，实现电力电子系统的标准化和集成化效果，具有很好的通用性，满足系统中不同用户的需求，保证工作效率[3]。

3.2 变流器连接选择标准化

通常情况下，移动和通信设备都是以直流电的方式供给，而照明设备大多以交流电供给，变流器作为电源产品的的核心，其标准的选择具有非常重要的意义。如今的照明设备中会被加入很多压强较大的惰性气体，在使用变流器的过程中，因为LED照明设备的存在，照明设备电源的直流电会发生分流的现象。因此，要对移动和通信设备中的供电方式进行分析，并且得到各个设备中变流器的特性，进而制定变流器连接的参数，并应用该连接参数对当前和传统的变流器进行分析对比，分析的标准主要包括以下两方面：

（1）输入电压。当输入电压较高时，要使用零电压的方式;当输入电压较低时，要把电压升到标准电压范围之内;当电压在12V以下时，要使用同步整流的方式。（2）功率大小。当设备的功率较大时，在进行连接时要使用较多开关;当功率较小时，在进行连接时使用几个开关就能够满足要求。通常情况，当设备功率超过1千瓦时，需要不少于4个开关;当小于1千瓦时，只需要两个开关。

3.3 中功率变流器连接

中功率的连接分析中，一般使用全桥连接方法进行分析，因为这种方法可以提供标准化模块。进行分析时首先要初步选择连接的形式，除此之外还应通过实验获得连接适应的特征，分析该种连接结构的转化效率和能耗，并对器件的应力进行计算，分析是否符合要求;还要分析串并联的情况下连接方式的效果，确定集成性的作用。从开关的角度来看，全桥开关可以使用传统的OWM开关盒移向全桥开关;从连接结构的原理来看，连接结构可以被设置为谐振型和OWM型。为了充分发挥连接的效果，将输入电压大小设为400V，以连接参数为基础，和实际的效果进行对比并分析[4]。

3.4 变流器对抗

电力电子集成系统的出现大大提高了电力电子系统模板设计的研发速度、工作效率以及产品质量。电力电子模板的设计对于系统的性能和稳定性发挥着极其重要的作用，但是在使用过程中会出现各种各样的问题，例如模板的兼容性、串并联中的应用等方面，而且在使用模板的过程中要通过开关波纹的大小将数值稳定在安全区域中。除此之外，使用模板设计时会发生设备烧毁的情况，这是因为模板中安装有过滤设备，会使得整个系统中的信号变得不稳定，导致电力电子系统中的电压发生失控现象。因为电力电子系统中的大小信号对系统的稳定性具有极大的影响，因此在设备工作时要对信号的稳定程度进行监测，避免系统发生局部或者整体故障，最终导致系统整体的崩溃。

4 结语

电力电子系统集成是电力系统发展的一个重要的趋势和研究内容，通过分析其中的几项关键技术和重要的集成标准，对电力电子集成技术进行了简要的阐述。电力电子系统集成技术是先进科技技术的代表之一，其发展技术水平的高低也决定着综合国力的强弱，各国先后开展大规模的研究。我国学者在电力电子系统集成技术方面虽已经展开深入研究，但因起步较晚，人才缺乏，真正要实现最终目标还有很多的工作要做，需要更多研究工作者和研究精力的投入。

參考文献

[1] 钱照明，张军明，谢小高，等.电力电子系统集成研究进展与现状[J].电工技术学报，2006（3）：1-14.

[2] 杜石存，胡际童，田沛.系统集成技术在电厂信息化建设的应用[J].云南电力技术，2017（2）：4-6.

[3] 邓顺之，杨昆.电力系统及其自动化技术的应用能力[J].低碳世界，2017（16）：63-64.

[4] 王晔.电力电子系统集成研究现状与进展[J].电子制作，2015（7）：250-251.